Известкование
Умягчение воды известкованием применяют при ее высокой карбонатной и низкой некарботаной жесткости, а также в случае, когда не требуется удалять из воды соли некарбонатной жесткости. В качестве реагента используют известь, которую вводят в виде раствора или суспензии (молока) в предварительно подогретую обрабатываемую воду. Растворяясь, известь обогащает воду ионами ОН - и Са2+, что приводит к связыванию растворенного в воде свободного оксида углерода (IV) с образованием карбонатных ионов и переходу гидрокарбонатных ионов в карбонатные:
С02 + 20Н - → СО3 + Н20,НСО3 - + ОН - → СО3 - + Н2О.
Повышение в обрабатываемой воде концентрации ионов С032 - и присутствие в ней ионов Са2+ с учетом введенных с известью приводит к повышению произведения растворимости и осаждению малорастворимого карбоната кальция:
Са2+ + С03 - → СаС03.
При избытке извести в осадок выпадает и гидроксид магния
Mg2+ + 20Н - → Mg (ОН) 2
Для ускорения удаления дисперсных и коллоидных примесей и снижения щелочности воды одновременно с известкованием применяют коагуляцию этих примесей сульфатом железа (II) т.е. FeS04*7 Н20. Остаточная жесткость умягченной воды при декарбонизации может быть получена на 0,4.0,8 мг-экв/л больше некарбонатной жесткости, а щелочность 0,8.1,2 мг-экв/л. Доза извести определяется соотношением концентрации в воде ионов кальция и карбонатной жесткости: а) при соотношении [Са2+] /20<Жк,
(20.2б)
б) при соотношении [Са2+] /20 > Жк,
(20.3)
где [СО2] - концентрация в воде свободного оксида углерода (IV), мг/л; [Са2+] - концентрация ионов кальция, мг/л; Жк - карбонатная жесткость воды, мг-экв/л; Дк - доза коагулянта (FeS04 или FeCl3 в пересчете на безводные продукты), мг/л; ек - эквивалентная масса активного вещества коагулянта, мг/мг-экв (для FeS04 е к = 76, для FeCl3 ек = 54); 0,5 и 0,3 - избыток извести для обеспечения большей полноты реакции, мг-экв/л.
Выражение Дк/ек берут со знаком минус, если коагулянт вводится раньше извести, и со знаком плюс, если совместно или после.
При отсутствии экспериментальных данных дозу коагулянта находят из выражения
Дк = 3 (С) 1/3, (20.4)
где С - количество взвеси, образующейся при умягчении воды (в пересчете на сухое вещество), мг/л.
В свою очередь, С определяют, используя зависимость
где Ми - содержание взвешенных веществ в исходной воде, мг/л; m -содержание СаО в товарной извести, %.
Содово-известковый способ
Описывается следующими основными реакциями:
По этому методу остаточная жесткость может быть доведена до 0,5.1, а щелочность с 7 до 0,8.1,2 мг-экв/л.
Дозы извести Ди и соды Дс (в пересчете на Na2C03), мг/л, определяют по формулам
(20.6)
(20.7)
где [Mg2+] - содержание в воде магния, мг/л; Жн. к. - некарбонатная жесткость воды, мг-экв/л.
При известково-содовом методе умягчения воды образующиеся карбонат кальция и гидроксид магния могут пересыщать растворы и долго оставаться в коллоидно-дисперсном состоянии. Их переход в грубодисперсный шлам длителен, особенно при низких температурах и наличии в воде органических примесей, которые действуют как защитные коллоиды. При большом их количестве жесткость воды при реагентном умягчении воды может снижаться всего на 15.20%. В подобных случаях перед умягчением или в процессе его из воды удаляют органические примеси окислителями и коагулянтами. При известково-содовом методе часто процесс проводят в две стадии. Первоначально из воды удаляют органические примеси и значительную часть карбонатной жесткости, используя соли алюминия или железа с известью, проводя процесс при оптимальных условиях коагуляции. После этого вводят соду и остальную часть извести и доумягчают воду.При удалении органических примесей одновременно с умягчением воды в качестве коагулянтов применяют только соли железа, поскольку при высоком значении рН воды, необходимом для удаления магниевой жесткости, соли алюминия не образуют сорбционно-активного гидроксида. Дозу коагулянта при отсутствии экспериментальных данных рассчитывают по формуле (20.4). Количество взвеси определяют по формуле
(20.8)
где Жо - общая жесткость воды, мг-экв/л.
Более глубокое умягчение воды может быть достигнуто ее подогревом, добавлением избытка реагента-осадителя и созданием контакта умягчаемой воды с ранее образовавшимися осадками. При подогреве воды уменьшается растворимость СаСО3 и Mg (OH) 2 и более полно протекают реакции умягчения.
Из графика (рис. 2, а) видно, что остаточная жесткость, близкая к теоретически возможной, может быть получена только при значительном подогреве воды. Значительный эффект умягчения наблюдается при 35.40°С, дальнейший подогрев менее эффективен. Глубокое умягчение ведут при температуре выше 100° С. Большой избыток реагента-осадителя при декарбонизации добавлять не рекомендуется, так как возрастает остаточная жесткость из-за непрореагировавшей извести или при наличии в воде магниевой некарбонатной жесткости вследствие ее перехода в кальциевую жесткость:
MgS04 + Са (ОН) 2 = Mg (ОН) 2 + CaS04
Поэтому рекомендуется принимать избыток извести не более 0,5 мг-экв/л. Зависимость остаточной жесткости воды от дозы извести приведена на рис. 2, б.
Рис. 2. Влияние температуры (а) и дозы извести (б) на глубину умягчения воды известково-содовым и известковым методом
При известково-содовом методе также не рекомендуется применять большие избытки извести, однако, в данном случае они не вызывают увеличения остаточной жесткости, поскольку снимаются содой
Са (0H) 2 + Na2C03 = CaC03 +2NaOH,
но избыток извести приводит к нерациональному перерасходованию соды, повышению стоимости умягчения воды и увеличению гидратной щелочности. Поэтому избыток соды принимают около 1 мг-экв/л. Жесткость воды в результате контакта с ранее выпавшим осадком понижается на 0,3.0,5 мг-экв/л п сравнению с процессом без контакта с осадком.
Контроль процесса умягчения воды следует осуществлять коррекцией рН умягченной воды. Когда это невозможно, его контролируют по значению гидратной щелочности, которую при декарбонизации поддерживают в пределах 0,1.0,2 мг-экв/л, при известково-содовом умягчении - 0,3.0,5 мг-экв/л.
Содово-натриевый метод
Описывается следующими основными реакциями:
Ввиду того, что сода образуется при реакции гидроксида натрия с гидрокарбонатом, необходимая для добавки в воду доза ее значительно уменьшается. При высокой концентрации гидрокарбонатов в воде и низкой некарбонатной жесткости избыток соды может оставаться в умягченной воде. Поэтому этот метод применяют лишь с учетом соотношения между карбонатной и некарбонатной жесткостью.
Содово-натриевый метод обычно применяют для умягчения воды, карбонатная жесткость которой немного больше некарбонатной. Если карбонатная жесткость приблизительно равна некарбонатной, соду можно совсем не добавлять, поскольку необходимое ее количество для умягчения такой воды образуется в результате взаимодействия гидрокарбонатов с едким натром. Доза кальцинированной соды увеличивается по мере повышения некарбонатной жесткости воды.
Содорегенеративный метод, основанный на возобновлении соды в процессе умягчения, применяют при подготовке воды, для питания паровых котлов низкого давления
Са (НС03) 2 + Na2C03 = СаС03 + 2NaHC03.
Гидрокарбонат натрия, попадая в котел с умягченной водой, разлагается под влиянием высокой температуры
2NаHC03 = Na2C03 + Н20 + С02.
Образующаяся при этом сода вместе с избыточной, введенной вначале в водоумягчитель, тут же в котле гидролизует с образованием гидроксида натрия и оксида углерода (IV), который с продувочной водой поступает в водоумягчитель, где используется для удаления из умягчаемой воды гидрокарбонатов кальция и магния. Недостаток этого метода состоит в том, что образование значительного количества СО2 в процессе умягчения вызывает коррозию металла и повышение сухого остатка в котловой воде.